运用现成的 IEEE 802.3bt 解决方案进行大功率以太网供电设计

以太网供电 (PoE) 自 2003 年推出以来，其功率输送能力已从原来的 15.4 瓦激增到 30 瓦，但设计人员在应用中仍需要更大功率。对 PoE 规范的新修订 IEEE 802.3bt 支持最高 60 瓦的电源（某些应用中最高达 90 瓦），以此来应对上述需求。

该修订已于 2018 年底获得批准。现在，第一批商用集成供电设备 (PSE) 控制器和用电设备 (PD) 接口已经上市，使得设计工程师可以运用所谓的“大功率 PoE”。

本文首先说明 IEEE 802.3bt 与先前版本 PoE 的不同之处，然后介绍 Microsemi、Texas Instruments (TI)、Linear Technology 和 Nexperia 的集成 PSE 控制器和 PD 接口。本文描述了应用这些器件来构建系统的最佳方法，涉及电路保护、设计和布局要求等重要考虑因素。

什么是 IEEE 802.3bt？

原始标准 (IEEE 802.3af) 规定电源功率最高为 15.4 瓦，尚能满足 IP 电话和 Wi-Fi 接入点等应用，但对于 IP 视频电话或云台控制 (PTZ) 摄像头等新兴应用而言，就远远不够了。2009 年的规范修订 (IEEE 802.3at) 规定电源功率为 30 瓦，从而解决了这个问题。近年来，为了支持以太网连接应用，例如收银机 (POS) 终端、IEEE 802.11ac 接入点和联网 LED 照明，对功率的需求已提升到更高程度。

为了满足对更大功率的需求，全新的 IEEE 802.3bt（大功率 PoE）对先前的 PoE 和 PoE+ 规范做了修订，提高了 PSE 最小输出功率和 PD 最小输入功率。主要变化是可以通过 Cat5e 以太网电缆的所有四对双绞线进行功率传输。PoE 和 PoE+ 仅使用两对双绞线：“方案 A”应用中的数据线或“方案 B”应用中的备用线。（参见 DigiKey 文库“以太网供电简介”。）

新规范还引入了“3 型”和“4 型” PSE 和 PD（最大功率分别为 60 瓦和 90 瓦），并为输出和输入功率增加了新类别 (5-8)（表 1）。设计人员应注意，修订旨在符合 ISO/IEC 60950 对有限电源和安全超低电压 (SELV) 的要求，即规定每个端口的最大功率为 100 瓦。

表 1：大功率 PoE (IEEE 802.3bt) 与 PoE (IEEE 802.3af) 和 PoE+ (IEEE 802.3at) 的比较。IEEE 802.3bt 引入了更高的功率、新类型的 PSE 和 PD 以及新类别。（表格来源：Microsemi）

IEEE 802.3bt 带来的增强功能

除了可为大功率 PoE 提供更大功率，该规范还引入了其他功能。主要增强功能包括：

• 自动分类功能
• 支持低待机功耗
• 通道（电缆）长度已知时，可提升功率能力

自动分类是大功率 PoE 特有的新分类机制（可选），允许 PD 将有效最大功耗传输给 PSE，使 PSE 能够设置功率预算以精确匹配所需功率（加上针对通道损耗的储备功率和“安全”裕量），从而提高系统效率。

为了给有严格待机需求的应用供电，大功率 PoE 的最小脉冲电流持续时间发生了相当大的变化，最小脉冲电流持续时间主要用于确保 PSE 维持功率。以前，1 型和 2 型 PD 使用“维持功率特征”(MPS)，即 10 毫安 (mA) 的脉冲电流每 325 毫秒 (ms) 至少要持续 75 ms，交流阻抗应低于 26.3 千欧 (kΩ)，且并联 0.05 微法 (μF) 的电容。IEEE 802.3bt 规范带来的变化（适用于 3 型和 4 型 PSE）导致脉冲持续时间缩减为 1 型和 2 型 PSE 的 10%。

扩展功率功能是另一个重要变化。PD 测量电缆电阻并计算功率损耗，从而得出确保规范所述 PD 最小输入功率所需的储备功率。在最坏情况下，可能等于先前修订所规定的储备功率，但在实际应用中，储备功率可能较低，从而节省能源。

大功率 PoE 启动

引入新增的四类 PSE 输出功率（5 至 8 类）和相应的 PD 输入功率，以及两种新类型（3 型和 4 型）PSE 和 PD，使得该技术的启动顺序更加复杂。这会影响开发人员对大功率 PoE 系统的设计和 PSE 控制器的选择。

通常，符合 IEEE 802.3af 或 IEEE 802.3at 的设备称为 1 型（0-3 类）或 2 型（4 类）设备。符合 IEEE 802.3bt 的设备称为 3 型（5、6 类）或 4 型（7、8 类）设备。大功率 PoE 定义了一种方法，让 PSE 通过电缆安全地为 PD 供电，而在 PD 电缆断开连接时关闭电源。

IEEE 802.3bt 还具有涌流和时间限制，确保任何类型或类别的 PSE 与 PD 相互兼容。0 至 4 类的涌流限值为 400 至 450 mA，5 至 6 类为 400 mA 至 900 mA，7 至 8 类为 800 mA 至 900 mA。上电后，PSE 涌流限值适用的最长时间为 75 ms，此后，2 型、3 型或 4 型 PSE 根据所属分类支持更高的输出电流。

大功率 PoE 启动过程从 PSE 关闭电源开始，同时会检查是否有设备接入。然后，PSE 对 PD 进行分类，继而提供 PD 要求的功率；如果 PSE 没有足够的容量来充分满足 PD 需求，则提供最大功率。3 型和 4 型 PSE 还有第四种工作状态，即检查 PD 是否在每对双绞线上都具有相同的分类特征。

自动分类是一个可选特性，不是所有符合大功率 PoE 标准的 PSE 和 PD 都支持，因此如果该功能是所开发系统规格的一部分，那么就需要查看规格书。Microsemi 的 PD70210ILD-TR 前端 PD 接口控制器就是一款通过“增强型分类模块”支持该功能的产品。PD70210ILD-TR 还能识别四对双绞线中的哪些真正接收功率，并生成相应的标志（图 1）。

图 1：Microsemi 的 PD70210ILD-TR 前端 PD 接口控制器包含一个增强型分类模块，可简化对大功率 PoE 引入的新类别和 PD 类型的分类。该芯片还能通过 SUPP_S1 和 SUPP_S2 引脚识别四对双绞线中的哪些真正接受供电。（图片来源：Microsemi）

PSE 的自动分类首先检查 PD 是否支持该功能，方法是检查类别电流，经短暂延迟后降至 0 类电流水平。如果支持，PSE 便在上电后立即进行自动分类测量，在接下来的 1.35 至 3.65 秒内达到 PD 所需的最大功率。一旦启动，PD 必须输出 MPS 以让 PSE 确信连接仍未断开。MPS 丢失会触发 PSE 关闭电源（图 2）。

图 2：由于引入了新的 PSE 和 PD 类别与类型，大功率 PoE 的启动过程比以前的版本更复杂。如图所示为该过程的三个主要阶段（检测、分类和运行）以及相应的输入电压。（图片来源：Texas Instruments）

符合大功率 PoE 规范的新型控制器

自从 PoE 获得批准以来，集成 PSE 控制器和 PD 接口便为开发人员的设计带来了极大的便利。IEEE 802.3bt 也沿袭了之前的理念。制造商相继推出了符合规范草案要求的产品，除了上述的 Microsemi 器件之外，市场上还有其他几种 PSE 控制器和 PD 接口。

例如，Linear Technology 推出了 LTC4291-1/LTC4292 芯片组。这组元器件旨在共同构成 3 型或 4 型 PSE 控制器。电源管理功能包括每端口 14 位电流监控、可编程限流功能和预选端口的多功能关断。PD 检测采用专有的多点检测机制，有助于避免 PD 误识别。该芯片组支持自动分类，并通过引脚或 I2C 编程，为 PD 提供的最大功率为 71.3 瓦。

LTC4291-1/LTC4292 芯片组以高度集成而著称，几乎包含符合 IEEE 802.3bt 标准的 PSE 设计所需的所有电路，只需添加几个外设即可实现相应功能。该器件分为两个芯片（处理器和电源），LTC4291-1 可以放置在非隔离侧，从而简化 PSE 隔离。它可以从主逻辑电源接受供电，并直接连接到 I²C/SMBus 总线。该芯片组采用专有的隔离方案进行芯片间通信，使用低成本变压器取代了光隔离器和隔离电源。变压器为 10BASE-T 或 10/100BASE-T 单元，匝数比为 1:1，带有共模扼流圈（图 3）。

图 3：Linear Technology 的 LTC4291-1/LTC4292 四端口 IEEE 802.3bt PoE PSE 控制器实现了专有隔离，使用低成本变压器取代光隔离器和隔离电源以简化设计。（图片来源：Linear Technology）

为了充分利用大功率 PoE，PD 需要 3 型或 4 型接口，否则 PSE 将仅提供 IEEE 802.3af 定义的最大功率 15.4 瓦（PD 输入为 12.95 瓦）。此接口可以选择 TI 的 TPS2372-4RGWT，它具有 IEEE 802.3bt 规定的 1 型到 4 型 PD 接口的全部功能。

内部开关电阻低，使得 TPS2372-3 和 TPS2372-4 能够分别支持高达 60 瓦和 90 瓦的大功率 PoE 应用，自动 MPS 功能则支持需要超低功耗待机模式的应用。请注意，IEEE 802.3bt 对 PD MPS 的要求适用于电缆的 PSE 端。这意味着根据电缆长度和大容量电容等其他参数，可能需要较长的 MPS 持续时间用于验证。为此，TPS2372 提供三种不同的 MPS 脉冲持续时间和占空比，这可通过 MPS_DUTY 输入引脚来选择。

TPS2372 的涌流水平满足所有 PSE 类型。该芯片还实现了延迟功能，允许 PSE 先完成涌流阶段，再以电源良好 (PG) 输出供电，确保符合 IEEE 802.3bt 启动要求。通过芯片的输入自动分类功能，可以实现 IEEE 802.3bt 标准规定的所有高级系统功率优化模式。

大功率 PoE 入门

使用 LTC4291-1/LTC4292 之类的高度集成芯片组时，芯片供应商已经解决了很多具挑战性的设计问题，但设计人员仍需要仔细选择外部元器件，并遵从印刷电路板布局指南。其中很多都遵循 PoE 系统通用设计指南，但元器件的选择应与大功率 PoE 引入的高电压和电流水平相称。

例如，图 3 所示的 V_DD 和 V_EE 分别需接入数字电源和 PoE 主电源。V_DD 需要接入 3.3 伏，V_EE 需要接入 -51 至 -57 伏（3 型 PSE）或 -53 至 -57 伏（4 型 PSE）的负电压。V_DD 与 DGND 之间应接入至少 0.1 μF 的陶瓷去耦电容，并尽可能靠近各 LTC4291-1。为保持所需的隔离，不得将 LTC4292 AGNDP 与 LTC4291-1 DGND 连接。

V_EE 是为 PD 供电的 PoE 主隔离电源。由于提供的功率相对较大并且易受大电流瞬变的影响，因此与简单的逻辑电源相比，设计时需要予以更多考虑。为了获得最佳系统效率，应将 V_EE 设置为接近最大幅度 (57 V)，留下的裕量足够应付瞬态过冲或欠冲、温度漂移、线路调节即可。AGNDP 与 V_EE 之间需要接入至少 47 μF 的大容量电解电容器，以便在发生电气瞬变时能最大限度地减少虚假复位。

外部 MOSFET 的选择是开发人员的另一项关键设计决策。该 MOSFET 是构成控制 PSE 输出的功率开关器件。元器件的选择对系统可靠性有重要影响，要求设计人员针对各种 PSE 限流条件分析和测试 MOSFET 安全工作区 (SOA)。Linear Technology 推荐 PSE 使用 Nexperia 的 PSMN075-100MSEX，配置可为 PD 提供的最大功率为 51 瓦，或者使用 PSMN040-100MSEX，为 PD 提供 71.3 瓦功率。这些 MOSFET 在 PoE 应用中的可靠性已得到验证。

LTC4291-1/LTC4292 芯片组针对每通道 0.15 Ω 电流检测电阻而设计。因而，开发人员必须并联两个 0.3 Ω 的电阻器，如图 4 所示。为了符合大功率 PoE 规范，检测电阻的容差必须为 ±1% 或更小，并且温度系数不超过 ±200 百万分率/摄氏度 (ppm/℃)。

图 4：如图所示为 LTC4292 所需的顶层和底层检测电阻模块布局。为了符合大功率 PoE 规范，检测电阻 (RSTx) 的选择和布局至关重要。（图片来源：Linear Technology）

每个端口的 OUTnA 和 OUTnB 与 AGNDP 之间都需要接入 0.22 μF 电容器（见图 3），以便在启动或过载需要限流的情况下，使 LTC4292 保持稳定。建议使用额定电压至少为 100 V 的 X7R 陶瓷电容器，并且必须靠近 LTC4292 放置。

以太网端口易受大电流瞬变的影响。PoE 系统的综合浪涌保护是一个需要单独撰文来讨论的复杂主题，但最低要求是需要接入大容量的电压抑制器，如瞬态电压抑制 (TVS) 二极管（TVS _BULK）和大容量电容器 (C_BULK)，以将每个端口的浪涌电流和浪涌电压抑制在安全水平（图 5）。在电源 AGND 与 LTC4292 AGNDP 引脚之间还需要接入 10 Ω 的串联电阻器 (R1)。在 LTC4292 AGNDP 引脚与 V_EE 引脚之间应接入 58 伏 TVS 二极管 (D1) 和 1 μF、100 伏旁路电容 (C1)，电容器应靠近 LTC4292 引脚放置。最后，每个端口需要接入一对 S1B 钳位二极管：一个接在 OUTnM 与电源 AGND 之间；另一个接在 OUTnM 与电源 V_EE 之间。这就将所有电气瞬变导入电源轨中，最后由浪涌抑制器吸收。

图 5：PSE 控制器需要防范电气瞬变。如图所示为 Linear Technology 的 LTC4292 及必需的电压/电流抑制器和元器件，以将瞬变导离敏感芯片。（图片来源：Linear Technology）

TI 的 TPS2327 等芯片的高度集成同样简化了 PD 接口开发工作，但也需要加设一些外部元器件（图 6）。

例如，PD 接口的电缆输入端需要接入二极管。对于 TPS2327，TI 建议在大功率 PoE 应用中，使用额定值为 3 至 5 安、100 伏的分立或桥式肖特基二极管，而不要使用普通二极管，因为肖特基二极管会使耗散功率降低 30%。开发人员需要考虑的一点是，肖特基二极管通常比普通 PN 结二极管具有更高的反向漏电电流，因此难以满足规范中定义的 2.8 伏最大反馈电压。为了补偿，应使用普通二极管工作温度限制和低漏电器件来实现。与普通二极管相比，肖特基二极管更容易受电气瞬变的影响，因此建议采用由铁氧体磁珠和电容器构成的电压/电流保护。

IEEE 802.3bt 规范规定在 VDD 至 VSS 之间接入 0.05 至 0.12 μF 的输入旁路电容器（通常为 0.1 μF、100 V、±10% 陶瓷电容器）。规范还要求接入检测电阻 R_DEN、分类电阻 R_CLSA 和 R_CLSB 以及 MPS 电阻 R_MPS。R_DEN 建议使用 24.9 kΩ、±1% 的电阻器。分类电阻接在 CLSA 和 CLSB 与 VSS 之间，根据 IEEE 802.3bt 标准设置分类电流。电阻器的值和分配的功率类别由 PD 在运行期间消耗的最大平均功率决定。R_MPS 设置 MPS 占空比；例如，1.3 kΩ 电阻器将占空比设置为 26.4%。MPS_DUTY 短接到 RSS 时，设置的占空比为 12.5%。

大功率 PoE PD 接口还需要在电源线上接入 TVS 二极管和大容量电容器（D1、C_BULK）作为电压抑制器，以吸收电缆这一端的电气瞬变。

图 6：TI 的 TPS2372 大功率 PoE PD 接口应用示意图显示了完成设计所需的外设元器件，主要是输入二极管、抑制器件及检测、分类、MPS 电阻。（图片来源：Texas Instruments）

许多设计指南可以确保印刷电路板布局、元器件布置和布线要求符合 IEEE 802.3bt 规范对参数测量精度、系统稳健性和散热方面的要求。Linear Technology 和 TI 均为各自的 PSE/PD 接口提供了符合规范的参考设计。对开发人员而言，这些参考设计是很有用的指南。

总结

大功率 PoE 扩展了 PoE 的应用并提高了效率。但是，由于引入更多 PSE 控制器和 PD 接口类型与类别，以及其他操作和安全特性，也增加了实施的复杂性。

集成 PSE 控制器和 PD 接口解决方案将这些功能以标配的形式提供，使设计人员受益匪浅。这些方案减少了系统所需的外设元器件数量，从而大大简化并加速设计过程。